(57)【要約】【課題】管内の流通抵抗を大きくすることなく、かつ、酸素濃度を検出するのに十分なガス導入量を確保することができる酸素センサを得る。【解決手段】プロテクタ１２の外径寸法Ｄおよびそのプロテクタ１２の排気管１内への突き出し量Ｌを、排気管１の通路断面積Ｓに対する外径寸法Ｄと突き出し量Ｌとの積（Ｄ×Ｌ）の比率が略２．５％以下に収まるように設定することにより、排気管１内を流通する排気ガスの流通抵抗を大きくすることなく、かつ、酸素センサ１０で酸素濃度を検出するに十分なガス導入量を確保して応答性を高めることができる。【選択図】図１
2007114066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内を流通する被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、
該検出素子の外側を覆って先端部が前記管内に突き出される筒状のプロテクタと、を備えた酸素センサにおいて、
プロテクタの外径寸法Ｄおよびプロテクタの管内への突き出し量Ｌを、管の通路断面積Ｓに対する前記外径寸法Ｄと前記突き出し量Ｌとの積（Ｄ×Ｌ）の比率が略２．５％以下に収まるように設定したことを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
前記管の内径が４０［ｍｍ］である場合に、前記外径寸法Ｄ［ｍｍ］と前記突き出し量Ｌ［ｍｍ］の積の値を３２以下に設定したことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ。
【請求項３】
前記プロテクタの突き出し量Ｌを４［ｍｍ］以上に設定したことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管内を流通する被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より種々の酸素センサが提案されており、特許文献１は、その一例としての酸素センサを開示する。
【０００３】
上記公報の酸素センサは、検出素子の外側をプロテクタで覆って、そのプロテクタで覆われた検出素子を排気管に差し込んで取り付け、流入孔からプロテクタ内に導入した排気ガスを検出素子に接触させるようにしてある。
【特許文献１】特開平１１−３３７５１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記酸素センサでは、検出素子に排気ガスが接触することにより、そのガス中の酸素濃度が抵抗値の変化として電気的に取り出されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、従来の酸素センサでは、これを排気管内に差し込んで取り付けた場合、プロテクタの管内突き出し量が大きいと、これが排気ガスの流通抵抗となって、排気効率に影響を及ぼして燃費やパワーの悪化を招く一因となる恐れがあり、かと言って、流通抵抗を低減するために管内突き出し量を小さくすると、プロテクタ内に十分に排気ガスを導入することが難しくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、管内の流通抵抗を大きくすることなく、かつ、酸素濃度を検出するに十分なガス導入量を確保できる酸素センサを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、管内を流通する被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、該検出素子の外側を覆って先端部が前記管内に突き出される筒状のプロテクタと、を備えた酸素センサにおいて、プロテクタの外径寸法Ｄおよびプロテクタの管内への突き出し量Ｌを、管の通路断面積Ｓに対する前記外径寸法Ｄと前記突き出し量Ｌとの積の比率が略２．５％以下に収まるように設定したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記管の内径が４０［ｍｍ］である場合に、前記外径寸法Ｄ［ｍｍ］と前記突き出し量Ｌ［ｍｍ］の積の値を３２以下に設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記プロテクタの突き出し量Ｌを４［ｍｍ］以上に設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、プロテクタの外径寸法Ｄおよびプロテクタの管内への突き出し量Ｌを、管の通路断面積Ｓに対する前記外径寸法Ｄと前記突き出し量Ｌとの積（Ｄ×Ｌ）の比率が略２．５％以下に収まるように設定したことにより、管内を流通する被測定ガスの流通抵抗を大きくすることなく、かつ、酸素センサで酸素濃度を検出するに十分なガス導入量を確保して応答性を高めることができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、請求項１の効果に加えて、前記管の内径が４０［ｍｍ］である場合に、前記外径寸法Ｄ［ｍｍ］と前記突き出し量Ｌ［ｍｍ］の積の値を３２以下に設定したので、酸素センサへの必要なガス導入量を確保しつつ、管内のガス流通抵抗を小さくできるとともに、酸素センサのコンパクト化を図ることができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、請求項１，２の効果に加えて、前記プロテクタの突き出し量Ｌを４［ｍｍ］以上に設定したので、必要な被測定ガス量をプロテクタ内に効率良く導入して、酸素センサの応答性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では内燃機関の排気管に用いる酸素センサに例をとって説明する。
【００１４】
（第１実施形態）図１は、酸素センサを排気管に取り付けた状態を示す要部断面図、図２は、プロテクタ突き出し量と酸素センサの応答時間との関係を示す説明図、図３は、排気効率をプロテクタ外径とプロテクタ突き出し量との関係を用いて示す説明図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態にかかる酸素センサ１０は、排気管１内を流通する被測定ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子１１と、この検出素子１１の外側を覆って先端部が排気管１内に突き出される筒状のプロテクタ１２と、を備えて概略構成されている。
【００１６】
ここで、検出素子１１はホルダ１３の中心部を気密構造をもって貫通するとともに、プロテクタ１２は先端部１２ａが閉止された筒状を成して検出素子１１の先端部を覆い、その基端部１２ｂ側がホルダ１３に気密構造をもって結合される。
【００１７】
そして、酸素センサ１０は、排気管１の壁面に形成した開口部１ａにプロテクタ１２を先端部１２ａから差し込むとともに、排気管１の壁面外側に開口部１ａと同心状に突設した円筒状のボス部２にホルダ１３を螺入して、気密に取り付けてある。
【００１８】
この場合、酸素センサ１０を、ホルダ１３の外径が１４［ｍｍ］を越えない程度に小型化し、かつ、ホルダ１３をボス部２に螺入するねじ部２ａ径はＭ１０以下のネジ径とするのが好適である。
【００１９】
なお、図１では、酸素センサ１０を、ホルダ１３の途中部分から外方（図中上方）を省略した状態で示したが、当該省略した部分には検出素子１１に接続されるリード線が設けられ、検出素子１１で検出した酸素濃度が電気信号に変換されてリード線から外部に出力される。
【００２０】
プロテクタ１２の排気管１内への突き出し部分には、排気ガスを流入する流入孔１２ｃが形成され、この流入孔１２ｃから導入した排気ガスが検出素子１１に供給されて酸素濃度が検出される。なお、プロテクタ１２内に流入した排気ガスは図外の排出孔から排気管１内に戻される。
【００２１】
このように構成された酸素センサ１０は、二輪車等に搭載された小排気量の内燃機関の排気管１に用いる場合を想定し、その排気管１の通路径Ｋは略４０［ｍｍ］程度となっており、酸素センサ１０は、排気ガスの流通抵抗を小さく抑制しつつ、酸素濃度検出時の良好な応答性が得られるよう、図１に示すように、プロテクタ１２の外径寸法Ｄおよびそのプロテクタ１２の排気管１内への突き出し量Ｌが設定される。
【００２２】
このとき、プロテクタ１２の突き出し量Ｌは、排気管１の内周面からプロテクタ１２の最先端までの長さとして特定され、また、プロテクタ１２の外径寸法Ｄは、排気管１内に突き出しているプロテクタ１２の最大外周径として特定される。
【００２３】
ここで、図２に、プロテクタ１２の突き出し量Ｌを変化させ、当該突き出し量Ｌに対する酸素センサ１０の酸素濃度検出時の応答時間の関係を計測した場合の計測結果を示す。
【００２４】
図２の例では、それぞれのプロテクタ１２の突き出し量Ｌは２［ｍｍ］〜１２［ｍｍ］の範囲で２［ｍｍ］間隔に変化させて計測してあり、その結果、いずれも突き出し量Ｌが２［ｍｍ］では応答時間が長くなる（応答性低下）一方、突き出し量Ｌが４［ｍｍ］で応答時間が短くなり（応答性向上）、また、突き出し量Ｌが４［ｍｍ］〜１２［ｍｍ］の間では応答時間が略一定となっている。
【００２５】
なお、図２では、突き出し量Ｌが２［ｍｍ］から実験してあるが、これは、排気管１が曲がっている場合に、排気ガスがその排気管１の壁面近傍ではガス粘性の影響を受け易く、特にＮＯ（窒素酸化物）等の粘性の高いガス濃度が流芯とずれることになり、これを防止するためにはプロテクタ１２の突き出し量Ｌとして最低でも２［ｍｍ］を要するためである。
【００２６】
また、検出素子１１に関しては、これを形成する固定電解質（ZrO2）の電池機能は、YSZ（Y2O3 混合 ZrO2＝固体電解質）のイオン伝導機能のみでなく、内外電極のイオン反応機能と外側電極の触媒作用が必要となるから、内部抵抗を下げてセンサとしての活性を高めるには、ある程度の断面積が必要になる。
【００２７】
さらに、固体電解質自体は、理論上、数分子の結合があれば機能するが、電極反応（イオン化反応）や触媒反応を有効に利用するためには、固体電解質との接触面積や排気ガスと触れる面積を適宜に確保することが必要となる。
【００２８】
この場合、検出素子１１の必要最小面積は５平方ミリメートル［ｍｍ２］以上であるが、ここで、突き出し量を２［ｍｍ］とすると、横方向には２．５［ｍｍ］必要となり、これを検出素子１１の外径に換算すると０．８［ｍｍ］となる。しかし、実際には２０％程度無駄な面積が存在するため、検出素子１１の外径は１［ｍｍ］以上は必要となる。
【００２９】
そして、このように検出素子１１の外径を１［ｍｍ］以上とすることにより、プロテクタ１２の外径寸法Ｄは最低でも２［ｍｍ］以上が必要となる。
【００３０】
すなわち、プロテクタ１２には、排気ガスを絞り込むのと同時に、内部の空間で検出素子１１に排気ガスを導入する役目があり、最低空間として０．３［ｍｍ］を確保する必要があるから、実際のプロテクタ１２の外径寸法Ｄは、Ｄ＝１（検出素子１１の外径）＋０．３（空間）×２＋０．２（プロテクタ１２の肉厚）×２＝２［ｍｍ］となり、以て、プロテクタ１２の外径寸法Ｄは、最低でも２［ｍｍ］以上必要であることになる。
【００３１】
そこで、プロテクタ１２の外径寸法Ｄが２［ｍｍ］以上であり、かつ、突き出し量Ｌが２［ｍｍ］以上である範囲内で、プロテクタ１２の外径寸法Ｄと突き出し量Ｌとの関係に基づく排気効率を実験等によって検証した結果、図３に示すような排気効率の減少特性（ａは０％減少，ｂは１０％減少，ｃは２０％減少…）が得られた。
【００３２】
つまり、図３中、外径寸法Ｄが２［ｍｍ］以上の領域と、突き出し量Ｌが２［ｍｍ］以上（さらに好適には４［ｍｍ］以上）の領域と、排気効率の略０％減少特性以下の領域と、がそれぞれ重なり合う図中ハッチングで示した領域Ｒが、外気ガスの流通抵抗が無く、かつ、応答性に優れた最適領域Ｒとなる。
【００３３】
そして、この最適領域Ｒに、上述した図２の結果から得られたプロテクタ１２の突き出し量Ｌ＝４［ｍｍ］を当てはめてみると、プロテクタ１２の有効な最大外径寸法Ｄは、排気効率の０％減少特性ａ上にプロットされる８［ｍｍ］であることが理解される。
【００３４】
つまり、排気効率の略０％減少特性ａ上では、
Ｄ×Ｌ＝８（［ｍｍ］）×４（［ｍｍ］）＝３２（［ｍｍ］２）・・・（１）
となり、最適領域Ｒについて、
Ｄ×Ｌ＜３２（ただし、Ｄ＝２［ｍｍ］以上、Ｌ＝２［ｍｍ］以上）・・・（２）
という条件が導き出される。
【００３５】
ここで、排気管１における排気効率は、排気管１の大きさに応じたプロテクタ１２の突き出しの程度、すなわち、排気管１の通路断面積Ｓに対する排気管１のＤ×Ｌの比率に応じて定まる。上述の例では、排気管１の内径Ｋが４０［ｍｍ］に設定されているため、排気管１の通路断面積Ｓは、Ｓ＝２０×２０×π≒１２５６（［ｍｍ］２）であり、また、Ｄ×Ｌは上記（１）式から３２（［ｍｍ］２）であるため、Ｄ×Ｌ／Ｓ＝３２／１２５６≒０．０２５となっている。すなわち、この例では、プロテクタ１２の外径寸法Ｄおよびそのプロテクタ１２の排気管１内への突き出し量Ｌを、排気管１の通路断面積Ｓに対する外径寸法Ｄと突き出し量Ｌとの積（Ｄ×Ｌ）の比率が略２．５％以下に収まるように設定していることになる。
【００３６】
上述したように、排気管１の内径が４０［ｍｍ］である場合には、外径寸法Ｄ［ｍｍ］と突き出し量Ｌ［ｍｍ］の積の値を３２以下（Ｄ×Ｌ≦３２）に設定するが、排気管１の内径が異なる場合にも、その内径に応じて、Ｄ×Ｌの排気管の通路断面積Ｓに対する比率を２．５％以下とすればよいことが、発明者らによる詳細な検討から明らかとなった。
【００３７】
さらに、図２に示した実験結果から明らかとなるように、プロテクタ１２の突き出し量Ｌが４［ｍｍ］以上とすると応答時間が短くなって略一定となるから、プロテクタ１２の突き出し量Ｌは４［ｍｍ］以上とするのがさらに好適である。
【００３８】
以上のように、本実施形態にかかる酸素センサ１０によれば、プロテクタ１２の外径寸法Ｄおよびそのプロテクタ１２の排気管１内への突き出し量Ｌを、排気管１の通路断面積Ｓに対する上記外径寸法Ｄと上記突き出し量Ｌとの積（Ｄ×Ｌ）の比率が略２．５％以下に収まるように設定したので、排気管１内を流通する排気ガスの流通抵抗を大きくすることなく、かつ、酸素センサ１０で酸素濃度を検出するに十分なガス導入量を確保して応答性を高めることができる。
【００３９】
特に、排気管１の内径が４０［ｍｍ］である場合には、上記外径寸法Ｄ［ｍｍ］と上記突き出し量Ｌ［ｍｍ］の積の値を３２以下（Ｄ×Ｌ≦３２）に設定することで、酸素センサ１０への必要なガス導入量を確保しつつ、排気管１内のガス流通抵抗を小さくできる上、酸素センサ１０のコンパクト化を図ることができるようになり、例えば二輪車に搭載される内燃機関のように小排気量の内燃機関の排気管１に適用する場合にも、酸素センサ１０のレイアウトが容易になるという利点がある。
【００４０】
また、プロテクタ１２の突き出し量Ｌを４［ｍｍ］以上に設定することで、必要な排気ガス量をプロテクタ１２内に効率良く導入して、酸素センサ１０の応答性を効果的に高めることができるという利点がある。
【００４１】
なお、本発明は、次のような別の実施形態に具現化することができる。以下の別の実施形態でも上記実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。例えば、酸素センサ自体の構成（特に、図１に示す以外の部分）は特に限定されず、種々の構成を適宜に採用することができる。
【００４２】
また、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。
【００４３】
（イ）請求項１〜３のいずれかに記載の酸素センサでは、前記プロテクタの突き出し量Ｌを２［ｍｍ］以上、前記外径寸法Ｄを２［ｍｍ］以上とするのが好適である。
【００４４】
こうすれば、酸素濃度を検出するのに十分な検出精度および検出応答性を得ることができる。
【００４５】
（ロ）請求項３に記載の酸素センサでは、プロテクタに形成する流入孔の形成位置を、プロテクタの先端から基端側に向かって０〜４［ｍｍ］の範囲に設定するのが好適である。
【００４６】
こうすれば、流入孔をプロテクタが管内に突き出される部分に形成することができるので、排気ガスをプロテクタ内により確実に導入することができる。この場合、流入孔をプロテクタの先端に形成すると、検出応答性を向上させることができて、さらに好適である。
【００４７】
（ハ）請求項１〜３のいずれかに記載の酸素センサでは、プロテクタの突き出し量Ｌを管の内周面からプロテクタの最先端までの長さとして設定し、プロテクタの外径寸法Ｄを管内に突き出している上記プロテクタの最大外周径として設定し、管の通路断面積Ｓに対して排気効率を１〜５パーセントの所定比率分だけ低下させる（圧力損失、流路抵抗を当該所定比率分だけ増大させる）管内壁からの突出物の遮蔽断面積（略矩形状の投影面積）を設定し、上記突き出し量Ｌと上記外径寸法Ｄとの積が上記遮蔽断面積以下となるように、酸素センサを構成するのが好適である。
【００４８】
こうすれば、プロテクタの突き出し量Ｌおよび外径寸法Ｄをより容易にかつより精度良く設定できるようになる上、排気管の通路断面積から突き出し量Ｌおよび外径寸法Ｄをより容易に設定することができて、酸素センサひいてはその周囲の部品設計や部品レイアウトの工数の低減に資するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる酸素センサを排気管に取り付けた状態を示す要部断面図。
【図２】本発明の一実施形態にかかるプロテクタ突き出し量と酸素センサの応答時間との関係を示す説明図。
【図３】本発明の一実施形態にかかる排気効率をプロテクタ外径とプロテクタ突き出し量との関係を用いて示す説明図。
【符号の説明】
【００５０】
１  排気管（管）
１０  酸素センサ
１１  検出素子
１２  プロテクタ
１２ｃ  流入孔
Ｄ  プロテクタ外径寸法
Ｌ  プロテクタ突き出し量
Ｋ  管の通路径
【図１】
2007114066.tif 000003
【図２】
2007114066.tif 000004
【図３】
2007114066.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月25日(2006.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007114066.tif 000006